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Efecto de la contaminación en suelo por pilas domésticas desechadas sobre el desarrollo de cultivos de frijol.

Effect of pollution in soil for cell batteries waste discarded on bean crop development

1

Celso-Moisés Bautista Rodríguez, 2Daniel Cruz González, 2Anamín Guadalupe Romero Zepeda, 2Angel Pérez Zempoaltecatl

1

AECI. Tepetitlán No. 63, Col. Lomas del Sur, 72470, Puebla, México. Tel. (045)-5523115350, [email protected]

2

Facultad de Ingeniería Química, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, México.

RESUMEN. La falta de estudios, divulgación y particularmente normatividad oficial sobre el manejo adecuado de pilas domésticas desechadas, ocasiona que el consumidor las arroje en la vía pública, jardines, ríos, o en la basura doméstica. Estudios previos han demostrado que las pilas de uso domestico presentan características CRETIB, siendo: corrosivas (C) por los electrolitos ácidos y/o alcalinos que las componen, reactivas (R) con el medio cuando estas se abren produciendo radicales libres y gases, explosivas (E) a condiciones de recarga o al fuego, por lo que requieren una disposición adecuada, y tóxicas (T), por lo cual generan contaminación ambiental y riesgos a la salud. Las pilas al estar expuestas al medio ambiente se corroen liberando sus contaminantes en el suelo afectando el crecimiento y calidad de las plantas. En este trabajo se reporta un estudio visual y estadístico de los resultados obtenidos a partir de un diseño experimental desarrollado sobre los efectos que tienen los componentes tóxicos de las pilas domésticas “AA” acidas (T) y alcalinas (D) en cultivos de Frijol (aspecto de la planta y altura de tallos). El diseño experimental consistió en someter las plantas a tres grados de exposición de contaminación con pilas domésticas y con tres replicas por exposición. Los resultados muestran que en la exposición 1 el efecto fue favorable para los cultivos con pilas T al obtener el máximo crecimiento en tallos, en la exposición 2 los cultivos contaminados con pilas T y D presentaron un crecimiento menor en comparación con el cultivo testigo; finalmente, en la exposición 3 los cultivos contaminados con pilas D presentaron el máximo de crecimiento en tallos.

Recibido: Octubre, 2014. Aprobado: Diciembre, 2014

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ABSTRACT. The lack of studies, particularly disclosure and official regulations regarding the proper handling of discarded household batteries causes the consumer throw them in the streets, gardens, rivers, or in household garbage. Previous studies have shown that household batteries have some cretib characteristics being: Corrosive (C) from acidic electrolytes and / or alkaline that compose them, reactive (R) with the environment when they are open and producing free radicals gases, explosive (E) to recharge conditions or fire, so require proper disposal, and toxic (T), it cause environmental pollution and health hazards. When cell batteries are discarded in soil their housings corrode releasing their components (heavy metals) in soil generated contamination, so growth and quality of the plants are affected. In this paper is shown a visual and statistical analysis of the results obtained from an experimental design developed on the effects of the toxic components of household batteries "AA" acidic (T) and alkaline (D) in crops bean (appearance of the plant and stem height). The experimental design consisted of exposing the plants to three levels of pollution by household batteries and three replicates per exposure. The results show that the exposure 1 the effect was favorable for crops with T cell batteries to obtain maximum growth in stems, exposure 2 crops contaminated with T and D cells showed slower growth compared to the control culture; finally, the exposure 3 crops contaminated with cell batteries D had the highest growth in stems.

Palabras Clave: Pilas, Contaminación, Frijol. Keywords: Cell Batteries, Pollution, Bean.

INTRODUCCIÓN 1.1 El Frijol 1.1.1 Generalidades sobre el desarrollo del Frijol Las plantas son organismos fotosintéticos multicelulares adaptados a la vida terrestre. Estas se dividen en dos grandes grupos, los briofitos que carecen de tejidos vasculares como el musgo y las plantas vasculares con sistemas de conducción más eficientes, estas plantas se dividen en plantas con semilla y sin semilla. Las plantas con semilla a su vez pueden agruparse en gimnospermas (semillas desnudas) y angiospermas (semillas protegidas que dan flores). Las angiospermas son las plantas más abundantes de la tierra, el Frijol se encuentra dentro de esta clasificación lo que hace conveniente detallar un poco sobre ellas. Entre sus adaptaciones está una cutícula cérea (capa protectora cerosa que retarda la pérdida de agua), poros para intercambio de gases, capas protectoras de las células reproductoras y retención del esporofito joven ó embrión dentro del gametofito femenino como un saco embrionario y su desarrollo dentro de esta estructura como protección en sus etapas críticas, a diferencia del gametofito masculino conocido como polen y situado al exterior de la flor [Curtis et al., 2000].

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Las semillas son la unidad de reproducción sexual de las plantas, su función es generar un nuevo individuo, consta esencialmente de un embrión (formado por un eje embrionario o hipocótilo y uno, dos o varios cotiledones), reservas nutritivas y una cubierta seminal. Para que la semilla se convierta en una planta adulta la semilla debe llevar a cabo una serie de procesos metabólicos y morfogenéticos que resultan en la germinación de la semilla [Universidad Politécnica de Valencia 2011]. Por otra parte, para dar inicio al proceso de germinación de una semilla es necesario que se cumplan condiciones ambientales favorables como un sustrato húmedo, suficiente disponibilidad de Oxígeno que permita la respiración aerobia y una temperatura adecuada. Este proceso se compone de 3 fases a continuación presentadas: [Universidad Politécnica de Valencia 2011]   

Fase de hidratación: Es el primer paso caracterizado por una intensa absorción de agua que desencadena en el inicio de funciones metabólicas (respiración, síntesis proteica y movilización de sus reservas) Fase de germinación: La absorción de agua se reduce y se producen transformaciones metabólicas necesarias para el desarrollo de la planta. Fase de crecimiento: En esta fase emerge la radícula o raíz del embrión, además la actividad respiratoria y absorción de agua aumenta.

Los factores que afectan la germinación son:  

Internos: Son propios de la semilla como la madurez, desajustes en el equilibrio hormonal y la viabilidad de la semilla (periodo en que las semillas conservan su capacidad para germinar). Externos: Dependen del ambiente: humedad, temperatura y el medio que debe estar suficientemente aireado para permitir la adecuada disponibilidad de Oxígeno y Dióxido de Carbono.

Con la germinación de la semilla, la testa (figura 1a) se rompe y la radícula emerge, en algunos casos como el Frijol los cotiledones emergen del suelo debido al crecimiento del hipocótilo (figura 1b), los cotiledones actúan como hojas realizando funciones fotosintéticas, a estas plantas se le denominan epigeas. Las plantas donde los cotiledones permanecen enterrados se llaman hipogeas (ver figura 2b) [Universidad Politécnica de Valencia 2011].

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Rafe

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Testa Hilo

Micrópilo

a) Primeras hojitas

Cubierta seminal Epicótilo

Epicótilo

Cubierta seminal Cotiledones marchitados

Cotiledones Hipocátilo

Cotiledones Hipocátilo

b)

Figura 1. a) Testa de la semilla y b) germinación epigea. [Universidad Politécnica de Valencia 2011; Dirección Nacional de Servicios Académicos Virtuales, 2011] Las hojas son las áreas donde se lleva a cabo la fotosíntesis debido al gran área de exposición a la luz, conservan el agua y aseguran los cambios de gases necesarios para la fotosíntesis, las raíces fijan la planta al suelo e incorporan agua y minerales esenciales; clasificándose en micro-nutrientes y macro-nutrientes (Tabla 1) a la planta (los tallos son las estructuras de conducción y soporte de las plantas aunque también almacenan alimento o agua. Cuando las plantas ya son maduras comienzan la generación de flores en las cuales ocurre la reproducción sexual, para estas plantas comienza un nuevo ciclo de vida, ocurre la fecundación en la flor, el cigoto se divide mitóticamente y forma un nuevo embrión. Tabla 1. Elementos minerales principales requeridos por las plantas. [Curtis & Barnes, 2000] Elemento

Forma principal en que se absorbe

Concentración aproximada en plantas sanas (% seco)

Macro nutrientes -

+

Nitrógeno

NO3 (o NH4 )

1-4%

Potasio

K+

0.5-6%

Calcio Fósforo Magnesio

Ca

2+

0.2-3.5%

H2PO4- o HPO42-

0.1-0.8%

2+

Mg

0.1-0.8%

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SO42-

Azufre

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0.05-1% Micro nutrientes

Hierro

Requiere de la formación de quelatos par ser absorbido.

25-300 ppm

Cloro

Cl-

100-10000 ppm

2+

Cobre

Cu

4-30ppm

Mn2+

15-800 ppm

Cinc

Zn y formando quelatos

15-100 ppm

Boro

BO3- o B4072-

5-75 ppm

Manganeso 2+

2-

Molibdeno

MoO4

0.1-5 ppm

Elementos esenciales para algunas plantas u organismos fijadores de nitrógeno Cobalto

Co2+

Trazas

Sodio

Na+

Trazas

El Frijol es una planta originaria de América y su uso como alimento de consumo humano data de la época prehispánica, es parte de la familia de las leguminosas, la característica principal de esta familia es el fruto, una vaina. La planta puede llegar a medir de 50 a 70 cm de altura, cuenta con raíces bien desarrolladas, tallos delgados y débiles, cuadrangulares, sus semillas ovales o redondeadas, poco comprimidas, color rojo, amarillo, café o negro [Water treatment solutions, 2010; Galarza et al., 2010]. 1.1.2

Índices de consumo en México

El Frijol representa para México un alimento tradicional de producción y consumo, básico en la dieta de los mexicanos. Existen alrededor de 150 especies de esta leguminosa y en el país se producen 50, las cuatro más comunes son: Phaseolus vulgaris L. (Frijol común), Phaseolus coccineus L. (Frijol ayocote), Phaseolus lunatus L. (Frijol comba) y Phaseolus acutifolius Gray (Frijol tepari). De acuerdo a la superficie sembrada y producción las especies más importantes en México son el Frijol común y el ayocote [Borja & García, 2008]. Después del maíz, el Frijol ocupa el segundo lugar en importancia dentro de la superficie total sembrada en el país. Con base en la información disponible de producción y comercio exterior, se estimó el consumo aparente de frijol en México. Para 2011 fue de 658,223 toneladas, lo que significa una disminución de 47.1% a tasa anual. Este volumen es 17.5% mayor que la producción nacional estimada para 2011 (figura 2). [Gaucín & Torres, 2012]

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Figura 2. Consumo de Frijol en México [Gaucín & Torres, 2012] Por su parte, el consumo per cápita de frijol muestra una tendencia a la baja durante la última década [Gaucín & Torres, 2012]. Lo anterior, se atribuye a los cambios en las preferencias de los consumidores, de tal forma que el uso de frijol ha sido sustituido en muchos sectores de la población por otras fuentes de proteínas o de alimentos procesados o preparados que representan mayor conveniencia en el consumo. Se estima que durante 2010, el consumo per cápita de frijol en México se ubicó en 11.0 kilogramos por persona, en tanto que para 2011 haya reportado una fuerte reducción, para ubicarse entre 6 y 7 kilogramos por persona al año (figura 3).

Figura 3. Consumo per cápita de Frijol en México [Gaucín & Torres, 2012]

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El consumidor adquiere el producto en mercados, tianguis, tiendas de abarrotes o de autoservicio. Aunque no existe un porcentaje definido se sabe que las ventas en las tiendas de autoservicio han crecido considerablemente y en las tiendas de abarrotes la tendencia es a la baja. [Martin & Griswold, 2009]

1.1.3

Índices económicos del Frijol

La comercialización del Frijol, en México, en su mayor parte es a granel, debido a la poca limpieza o clasificación de la leguminosa la retribución a los productores es baja. El excesivo intermediarismo que en la mayoría de los casos no le dan un valor agregado como son: limpieza, selección de grano, pulido, abrillantado y empaquetado, debido a que origina un incremento en el costo. La calidad en la producción de Frijol e importación la regula el Servicio Nacional de Sanidad y Calidad Agroalimentaria sin embargo se enfoca en el aspecto y las plagas u hongos que lo afectan. En la NMX-FF-038-SCFI-2002 referente a Productos alimenticios no industrializados para consumo humano –Fabaceas- Frijol (Phaseolus vulgaris L.) – Especificaciones y métodos de prueba se establecen las especificaciones de calidad que debe reunir el Frijol en sus diferentes variedades. La calidad se clasifica en tres grados (categoría extra, primera y segunda) y varía de acuerdo a la clase de Frijol que se trate. Todas las clases de Frijol deben cumplir sin ser obligatorio con las siguientes especificaciones físicas: [NMX-FF-038-SCFI-2002]   

Olor: Característico del grano seco y limpio. En ningún grado de calidad debe tener olores de humedad, fermentación, rancidez, enmohecido o putrefacción. Humedad: Intervalo entre 9-13%, apropiado para el manejo, conservación, procesamiento y almacenamiento. Tiempo de cocción: Se considera un Frijol fresco cuando su tiempo de cocción es de 55 minutos, Frijol duro de 55 a 70 minutos. En Frijoles que superen los 70 minutos estarán sujetos a negociaciones de las partes comercializadoras.

Para considerar un Frijol como de buena calidad no se llevan análisis químicos que verifiquen que está libre de contaminantes y de esa manera seria difícil verificar si existen metales pesados en la leguminosa, de las especificaciones de la norma, sin embargo se podría relacionar con el tiempo de cocción de acuerdo con Parihar la presencia de metales pesados y alcalino térreos en el Frijol retardan el tiempo de cocción [Parihar, 1956]. 1.1.4

Producción

El Frijol prácticamente se produce en todos los estados de la república, destacando la región centro norte. Como se puede observar en la tabla 2, la producción de Frijol muestra un comportamiento variable, el incremento más importante en la producción se dio entre el 2005 y 2006, este 26

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incremento fue debido principalmente a dos factores: una mayor superficie sembrada y al incremento en el rendimiento por hectárea [Borja & García, 2008; NMX-FF-038-SCFI2002]. La temporada de cosecha de Frijol en Estados Unidos y en México es en septiembre y octubre principalmente, lo que ocasiona problemas de comercialización del producto nacional y depresión de los precios por sobreoferta [Situación actual y perspectiva de frijol en México; 2005]. Tabla 2: Producción de Frijol en México. [Dirección general adjunta de planeación estratégica sectorial, 2009] Año

Producción

Superficie

(Millones de toneladas).

(Millones de hectáreas) Sembrada

Cosechada

Precio medio rural ($)

Valor de la producción (Millones de pesos)

2002

1.55

2.23

2.05

$5,729

$8,875

2003

1.41

2.04

1.9

$5,077

$7,184

2004

1.16

1.82

1.68

$5,727

$6,663

2005

0.83

1.75

1.26

$6,903

$5,708

2006

1.39

1.81

1.72

$6,301

$8,733

2007

0.99

1.69

1.49

$6,984

$6,942

2008*

1.07

1.63

1.42

N/D

N/D

*Cifras preliminares. N/D: No determinada.

La Organización de las Naciones Unidas para la agricultura y la alimentación (FAO) indica que la producción mundial de Frijol en el 2007 fue de 19.3 millones de toneladas, el país de mayor aportación es Brasil con un 16.9%. México participo con el 6.5% ubicándose en el quinto lugar de los principales países productores [Borja & García, 2008; NMX-FF-038SCFI-2002]. 1.1.5

Importación y exportación

La producción de Frijol en México está orientada a satisfacer la demanda de la población, es un alimento básico para la población de menores ingresos en zonas rurales y urbanas. Durante los últimos años la producción nacional de Frijol ha sido insuficiente para cubrir el consumo interno y se ha recurrido al mercado externo para asegurar el abasto. De acuerdo con datos del Banco Nacional de Comercio Exterior de México (BANCOMEXT) y la Comisión Internacional de Comercio de los Estados Unidos (por sus siglas en inglés USITC) del 2006 muestran que en 96% de las importaciones provienen de Estados Unidos y el 4% de Canadá [Water treatment solutions, 2010; Galarza et al., 2003].

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Datos proporcionados por la SIAP muestran en la figura 4 que las importaciones de México ascendieron a 269 mil toneladas en el 2012 y las exportaciones a 36 mil de toneladas. [Dirección general adjunta de planeación estratégica sectorial, 2009] En cuanto a los precios internacionales de Frijol sus variaciones están en función de la oferta y la demanda del mercado. Datos proporcionados por el Grupo Consultor de Mercados Agrícolas (GCMA) reporta un precio al 12 de junio del 2008 en $14,114.29 pesos por tonelada para el Frijol negro y un precio de $12,987.50 pesos por tonelada para el Frijol claro. La variación de precios depende de la calidad y la logística de la comercialización que se utiliza entre una zona y otra [Dirección general adjunta de planeación estratégica sectorial, 2009]. El mayor índice de consumo de Frijol en el mundo se localiza en determinados países de América y África, Estados Unidos destina parte de su producción a cubrir el déficit de algunos países latinoamericanos consumidores [Situación actual y perspectiva de frijol en México, 2005].

Miles de Toneladas

300

200

100

0 2009

2010

2011

2012

Tiempo (años)

Figura 4. Comercio de Frijol en México. [Dirección general adjunta de planeación estratégica sectorial, 2009] Los principales países exportadores de Frijol hasta el año 2002 son Myanmar, China; Estados Unidos de América, Canadá y Argentina. Estados Unidos exporta en el mercado aproximadamente el 29% de su producción a Inglaterra, Japón; Argelia, Brasil y México [Situación actual y perspectiva de frijol en México, 2005]. Por otro lado, los principales países importadores hasta el año 2002 fueron Japón, Brasil, Reino Unido, India y México [Situación actual y perspectiva de frijol en México, 2005]. 1.2 Pilas Domésticas 1.2.1 Definición de pilas Una pila es una unidad electroquímica contenida en carcasa metálica con dos terminales que representan un polo positivo y uno negativo (cuya función es alimentar de energía eléctrica a los aparatos), dos electrodos (cátodo y ánodo) y el medio de conducción interna llamado electrolito. Las pilas son dispositivos que convierten la energía química generada 28

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por la reacción de sus componentes en energía eléctrica [Bautista et al., 2007; Castro & Díaz, 2004; Gaytán et al., 2008; Basurto, 2006].

El objetivo de una pila es la obtención de energía a partir de una reacción de óxidoreducción. Ésta reacción resulta de dos reacciones parciales denominadas semireacciones, donde un elemento químico se eleva a un estado de valencia superior (oxidación) mientras que otro se reduce a un estado de valencia inferior (reducción). El proceso de óxidoreducción implica la transferencia de electrones del elemento que se oxida al elemento que se reduce. Cada una de las semireacciones se llevan a cabo de manera independiente en los electrodos de la pila y el medio que posibilita el transporte interno de carga eléctrica entre el cátodo y ánodo es el electrolito [Bautista et al., 2007; Camacho, 2006]. Una clasificación de las pilas se propone en la figura 5.

Figura 5. Clasificación de pilas. [Galicia, 2007]

1.3 Toxicología de los componentes de pilas domésticas Las pilas de uso doméstico tienen entre sus componentes metales pesados, denominados así por considerase tóxicos aun en bajas concentraciones. De acuerdo con el tipo de pila no todos sus componentes poseen el mismo grado de toxicidad, los efectos al medio ambiente y salud se mencionan a continuación (Tabla 3):

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Tabla 3. Resumen toxicológico de algunos metales pesados Cinc (Zn) Efectos en: Humano, Animales y Plantas

Problemas que ocasiona:

Límites:

Desarrollo

11 mg/día hombres

Reproducción

Referencias: para

8 mg/día para mujeres

Mutación Intestinales

[Monu et al., 2008; Vázquez et al., 2005; Instituto Nacional de Ecología, 1991; Roney et al., 2005]

Pancreas Fierro (Fe) Amenaza en células y tejidos

[Bautista et al., 2012]

Dañan macromoléculas Muerte celular Daño tisular Cáncer Manganeso (Mn) Efectos neurológicos

En la sangre es 415µg/L y en la orina es de 0.4-0.85 µg/L

Perturbaciones mentales

[Williams et al., 2008; Castro & Díaz, 2004]

Movimientos lentos Falta de coordinación Irritación en pulmones Neumonía Daño a espermatozoides Cambios en la conducta Disminución en la habilidad de aprender y memorizar Mercurio (Hg) Daños al cerebro y riñón

[Risher & De Woskin, 1999; Castro & Díaz, 2004].

Problemas de desarrollo Dermatitis Ulceraciones de conjuntiva y córnea (ceguera) Colapso digestivo

del

aparato

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Insuficiencia renal Delirio Psicosis maniaco-depresiva Alucinaciones Diarrea Hemorragias Cadmio Lesiones en pulmones

En los alimentos 5 %

Lesiones en riñones Muerte Lesiones al hígado

[Monu et al., 2008; Méndez, 2001; Alves et al., 1994; Belimov, 2003; Faroon et al., 2012, Castro & Díaz, 2004]

Malformaciones congénitas Abortos Ablandamiento de huesos Litio Fallas respiratorias

[Monu et al., 2008; Ludas, 2008; Castro & Díaz, 2004]

Depresión del miocardio Edema pulmonar Visión borrosa Estado de coma Efectos negativos sistema nervioso

en

el Plomo

Alteración de hemoglobina

Vía oral en adultos es del 10%

Fatiga

En niños puede llegar hasta el 50%

Dolores óseos Anemias Cólicos intensos Nauseas Vómito Impotencia sexual Delirio Esterilidad

31

[Abadin et al., 2007; Camacho, 2006]

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Hipertensión arterial Estreñimiento Sistema nervioso Convulsiones Cáncer Muerte Níquel Dolores de estómago Efectos sangre

adversos

en

la

[Castro & Díaz, 2004; Fay et al., 2005; Camacho, 2006]

Daño a riñones Cáncer

1.4 Índice de consumo de pilas en México En México las pilas se comercializan en el mercado formalmente establecido y en el mercado informal en un amplio rango de precios, marcas y calidades, dado que no existen restricciones arancelarias y no arancelarias a la importación de pilas estas pueden cruzar libremente la frontera. La vida útil de las pilas comercializadas de forma informal puede ser hasta seis veces menor que las de tecnología más avanzada. [Gavilán et al., 2009] Hasta el año 2004 se estimó la liberación de 635 mil toneladas de pilas al ambiente, lo cual significa la liberación de compuestos que pudieran resultar un riesgo debido a los grandes volúmenes; como en el caso del Dióxido de Manganeso (145, 918 Ton), Mercurio (1,232 Ton), Níquel (22,063 Ton), Cadmio (20,169 Ton) y Litio (77 Ton). Las cifras anteriores representan el 30% del volumen total de residuos tóxicos desechados en el periodo de 1960-2003. [Kádel & Saucedo, 2009] Los datos anteriores los utilizó el Instituto Nacional de Ecología como base para la realización de un informe estimando los volúmenes de consumo nacional para el periodo 1996-2007. Se estima que de 1996 a 2007 se importaron en promedio 27 490 toneladas y se exportó un promedio anual de 14 516 toneladas. En cuanto al tipo de pilas, las de Carbón-Cinc representan el 67% de las importaciones y el 60% de las exportaciones; en seguida se encuentran las pilas alcalinas, con el 25% de importaciones y el 19 de exportaciones, y en una menor proporción las pilas de Mercurio y Litio que en conjunto representan el 10% de importaciones y exportaciones.

1.5 Efectos de la contaminación de cultivos de interés económico

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La contaminación del suelo, aire y agua a su vez contaminan cultivos agrícolas, ciertos cultivos como el maíz y el Frijol son la base de la alimentación y el consumo de productos contaminados por metales pesados puede desencadenar en efectos a la salud pública y la economía. 1.5.1 Salud pública La contaminación de tierras de cultivos con metales procedentes de industria y desechos urbanos son las principales vías de entrada en la cadena alimenticia de los metales pesados al ser consumidos y acumulados por seres vivos. [Méndez, 2001] Los metales pesados tóxicos pueden ser transferidos a los tejidos vegetales a través del suelo o el depósito de agua de lluvia. La absorción de estos metales puede causar efectos dañinos en la planta y serios daños a la salud humana. Trabajar o vivir cerca de industrias que utilizan metales pesados o en lugares donde se disponen de estos desechos de forma indebida aumenta el riesgo de exposición por ingesta o inhalación e impactos a la salud pública [Woodbury, 1993; Martin, 2009; Parihar, 1956]. Los metales pesados llegan a los basureros municipales provenientes de pilas y baterías, basura electrónica, residuos de pinturas, etc. Elementos como el Cinc y Níquel son esenciales para el crecimiento de la planta, sin embargo en altas concentraciones disminuye el crecimiento de la planta. Otros metales como Cadmio, Plomo y Mercurio causan daños potenciales en animales, plantas y seres humanos [Woodbury, 1993]. El mayor riesgo en metales como el Cadmio es la bioacumulación en plantas y en el cuerpo humano especialmente produce enfermedades renales, alteraciones óseas y fallas en el aparato reproductor además desencadenar cáncer, pues su eliminación es muy lenta, el Plomo puede producir retraso mental e intelectual de los niños e hipertensión, el Cinc en grandes cantidades incrementa el riesgo de mutación celular (origen del cáncer), el Litio que produce enema pulmonar, el Manganeso y Mercurio producen daños en el cerebro, el Níquel genera daños a los riñones [Castro & Díaz, 2004; Rodríguez, 2008]. 1.5.2 Impactos económicos El Frijol se cultiva en casi todas las regiones del país, en México existen alrededor de 500 mil agricultores dedicados a la producción de esta leguminosa, es una importante fuente de empleo dentro de la economía en el sector rural equivalente a 382,029 empleos permanentes Las principales limitantes en la producción de Frijol constituyen la escasa disponibilidad de agua, condiciones climatológicas y mala calidad de los suelos como posible consecuencia, entre otros factores, de la contaminación [Situación actual y perspectiva de frijol en México, 2005]. En México la producción de Frijol no es suficiente para satisfacer la demanda razón por la cual se compra a otros países. Depender de las importaciones significa perder la autosuficiencia alimentaria, pérdida de producción de Frijol, siendo esta la segunda actividad más importante en generación de empleos, abandono de tierras, descapitalización del campo, pobreza rural y migración. Entre los factores que intervienen en el aumento de las importaciones se encuentran [Borja & García, 2008].

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La eliminación de precios de garantía debido a la desaparición de la Compañía Nacional de Subsistencias Populares (CONASUPO). El tratado de Libre Comercio de América del Norte (TLCAN) que permite importaciones libres de arancel. Poca competitividad de la producción mexicana en relación con la estadounidense. Bajos rendimientos de la producción.

La mala calidad de los suelos, la baja calidad del Frijol y el bajo rendimiento en la producción depende de muchos factores entre ellos, es posible que uno de esos factores sea la contaminación por el desecho inapropiado de pilas.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL El desarrollo experimental se realizó en un invernadero ubicado dentro del jardín botánico de la BUAP, se inició con la delimitación del terreno y la preparación de la tierra, se combinó tierra de hojas con tierra que se encontraba en el jardín botánico en una proporción 1:1; posteriormente se llevó a cabo el llenado de las macetas y la siembra de las semillas donde se utilizó la misma cantidad de agua (calidad Junghans) y tierra para cada una. El diseño experimental constó de cultivos de Frijol sometidos a tres diferentes niveles de exposición a la contaminación por pilas de tipo “AA” de la marca T, de naturaleza ácida, y D, de naturaleza alcalina, teniendo una muestra y dos replicas por exposición. Además se cultivaron tres muestras testigo o blanco (sin contaminación) las cuales sirvieron como apoyo para evaluar los efectos ocurridos en las plantas. El Diseño Experimental aplicado se representa codificado en la tabla 4.

Tabla 4. Diseño Experimental Aplicado. CLAVE

DESCRIPCIÓN

T

Pila Acida

D

Pila Alcalina

B

Muestra Testigo

E

Exposición a la Contaminación

F

Cultivo de Frijol

1,2,3

Numero de Replica / Nivel de Contaminación

Los cultivos testigo se nombran como B1, B2 y B3 para evitar ser confundidos con los cultivos con exposición a pilas T. Los cultivos que se obtuvieron se muestran en la tabla 5.

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Tabla 5. Cultivos de Frijol. BLANCO B1F

B2F

B3F

T T1E1F

T2E1F

T3E1F

T1E2F

T2E2F

T3E2F

T1E3F

T2E3F

T3E3F

D3E2F

D1E3F

D2E3F

D3E3F

D D1E1F

D2E1F

D3E1F

D1E2F

D2E2F

Código, F= Frijol, T = Tectrón; D = D; E = Nivel de exposición; Número = Consecutivo

Las pilas de desecho que se utilizaron como contaminantes (dos pilas por maceta), se sembraron en los cultivos en tres formas distintas y representan el grado de exposición: Exposición 1 (E1): Pila completa con carcasa cerrada (figura 6). Exposición 2 (E2): Pila completa con carcasa abierta (mal estado físico). Exposición 3 (E3): Pila despedazada y dispersada (figura 7).

Figura 6. Siembra de pilas completas con carcaza cerrada.

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Figura 7. Siembra de pilas. a) Exposición 3 de pila ácida y b) exposición 3 de pila alcalina. Los cultivos se regaron cada tres días usando agua de mesa de la marca Junghans (150 ml en las primeras 4 semanas y 300 ml hasta el final del experimento), clasificada como de excelente calidad (Vidales et al., 2000). En el trabajo de Vidales no encontraron microorganismos (bacterias coliformes y estreptococos microorganismos mesófilos) presentes en el agua y encontraron que ésta presenta bajo contenido de sal, estas características son beneficiosas en el estudio para evitar posibles interferencias en los resultados de los experimentos, de la misma manera, las mediciones se tomaron de cada cultivo, teniendo en cuenta la siguientes aspectos: longitud del tallo, la longitud y anchura de las hojas (sólo los resultados de longitud del vástago se presentan en este documento), y el análisis de la apariencia de las plantas de acuerdo con el nivel de exposición a la contaminación. Además, la medición paramétrica y la recolección de los datos de las muestras se llevó a cabo a la misma hora (a las 10 a.m. aproximadamente) y consecutivamente en el mismo orden para todos los casos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados fueron clasificados en 3 periodos cronológicos consecutivos, debido al efecto significativo en el crecimiento de los tallos de los cultivos. El Primer periodo del día 3 al día 10, muestra un crecimiento acelerado. El Segundo periodo del día 3 al día 21, muestra una reducción en su índice de crecimiento, atribuible a la preparación del cultivo a la reproducción. El Tercer periodo del día 3 al día 38 presenta un crecimiento mínimo o nulo con la presencia de frutos del cultivo (vainas de Frijol), siendo la reproducción la causa más probable del cese en el crecimiento del cultivo. Estas etapas de crecimiento se pueden observar como cambios en la tendencia de las curvas mostradas en la figura 8, la cual corresponde a las plantas testigo. Es importante tomar en cuenta estos cambios, debido a que la pendiente de la recta se puede interpretar como la velocidad o índice de crecimiento (IC) de la planta; de esta manera es posible determinar y discutir resultados concretos. En este trabajo se analizan y se discuten solo los resultados sobre el crecimiento de los tallos en plantas de Frijol en el periodo completo del experimento por razones de espacio. En el día 7 se aprecia una caída significativa en la altura del tallo de las plantas, 36

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esto se debe a la caída natural de la punta del cultivo, repitiéndose esta observación en los días 19 y 38, coincidiendo con los límites de los periodos propuestos. Testigo 11 10 9 8

Longitud (cm)

7 B1 6

B2

5

B3

4 3 2 1 0 0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Tiempo (días)

Figura 8. Longitud del tallo en función del tiempo de los cultivos testigo con sus respectivas replicas (B1, B2 y B3). Adicionalmente se observa un comportamiento particular en la figura 8 en la curva B1, la caída natural de la punta de la cosecha en el séptimo día se completó en el 10º día donde el comportamiento de las curvas B2 y B3 es muy diferente. Otro comportamiento diferente se observa en la curva B1 en el 11º y 38º día del experimento. Estos fenómenos se pueden atribuir a una diferencia en el género de las semillas de frijol. Para confirmar esta hipótesis, se llevo a cabo una comparación estadística de estos grupos de datos, sin embargo, no es posible identificar el género de las semillas, sólo fue posible la separación de datos en dos grupos. El diagrama de caja de la figura 9 muestra la comparación entre los IC de los cultivos testigo, las cajas representan los datos que conforman los grupos, las líneas que dividen dichas caja representan la mediana y los puntos unidos con una línea representan la media de los datos. Estadísticamente se demostró la diferencia en el IC donde el G1 muestra significativamente una mayor velocidad en el crecimiento de los tallos que en el G2, el valor P de 0.003 en la comparación de grupos indica que estadísticamente las medias entre estos valores son diferentes.

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Figura 9. Comparación de IC entre G1 y G2. Esta diferencia de comportamientos en el crecimiento de los cultivos de Frijol no es singular en la naturaleza. En los seres humanos, por ejemplo, tanto la altura, el tiempo y forma de crecimiento varía entre las personas de acuerdo a diversos factores como la raza o el género. Por ejemplo, las mujeres tienden a crecer por etapas, una etapa de crecimiento y una etapa de estabilidad alternadas; los hombres tiene un crecimiento lento pero constante. El aumento de peso y talla también es diferente entre niños y niñas, las niñas crecen más rápido pero los niños alcanzan mayor peso y talla [Valenzuela et al., 1980]. Igual que los humanos, las plantas son seres vivos y su proceso de desarrollo es distinto de acuerdo a características propias de la semilla como la madurez, el equilibrio hormonal, la capacidad de germinar y la sexualidad de la semilla [Universidad Politécnica de Valencia, 2001]. Mendel dentro de su experimentos observó que las plantas son organismos progenitores que contienen alelos (genes con 2 o más informaciones sobre un mismo rasgo, por ejemplo el color) y pueden ser homocigotas (dos genes dominantes o recesivos) o heterocigotas (un gen dominante y un gen recesivo) y nombró arbitrariamente a las homocigotas dominantes como del sexo femenino y a las homocigotas recesivas como masculino de tal manera que la cruza híbrida entre ellas genera plantas con características visibles del sexo femenino o masculino, de esta manera se explica la diferencia de crecimiento entre el G1 y el G2 [Universidad Autónoma de Madrid, 2011; Genomasur, 2011]. Por otra parte el uso de cultivos testigo (B) permite la comparación con los cultivos expuestos a contaminación por pilas; se realizaron tres repeticiones o replicas y se observó que uno de los cultivos se comportaba diferente; bajo esta observación se conformó el grupo 1 (G1) con los dos cultivos de comportamiento similar y el grupo 2 (G2) con el tercer cultivo de comportamiento diferente. En la figura 10 se observa el efecto debido a la contaminación por pilas T y D en los tres grados de exposición (E1, E2, E3) en el día 30 correspondiente al tercer periodo dentro del estudio. En general se puede apreciar una diferencia significativa en las muestras del tercer nivel de exposición (figura 10c) con respecto a las muestras de los niveles de exposición 2 y 3 (figuras 10a y 10b respectivamente). 38

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Figura 10. Cultivos contaminados por pilas T (filas superiores), Testigos (filas centrales) y D (filas inferiores) correspondientes al día 30 en el tercer periodo de desarrollo. a) Exposición 1, b) Exposición 2 y c) Exposición 3. Particularmente, en la exposición 1 (figura 10a) se observa con respecto al testigo (fila central) que los cultivos contaminados en algunos casos crecen más lentamente, además para los cultivos contaminados con pilas D (fila inferior) se observa el crecimiento de hojas más pálidas y aparentemente con un menor número de hojas. En pilas T (fila superior), se aprecia en apariencia un tamaño de hojas ligeramente mayor al de las hojas testigo. En la exposición 2, se observa que los cultivos contaminados con pilas T favorecen su desarrollo (abundancia y color de hojas), posiblemente debido a la absorción de metales pesados como Fe y Zn, mientras que los cultivos contaminados con pilas D presentan un desarrollo inferior con presencia de hojas amarillentas, de menor abundancia y aparentemente de menor tamaño. Finalmente, en la exposición 3 se observa que el efecto de la contaminación por pilas T fue devastador en dos muestras y la muestra sobreviviente se ve muy débil con un desarrollo reducido en el cultivo, por otro lado, en el caso de la contaminación por pilas D se observa nuevamente un desarrollo inferior con coloración pálida en el cultivo.

Exposición 1 En esta exposición los metales pesados se almacenan en el interior de las pilas cerradas. La grafica a) de la figura 11 muestra que el comportamiento de los cultivos de Frijol sin contaminación, al inicio, es disperso; en el segundo y tercer periodo el crecimiento se lleva a cabo de manera ordenada. Las gráficas b) y c) muestran cultivos de Frijol expuestos a pilas T y D respectivamente. Note que el tamaño de los tallos de los cultivos contaminados por pilas T presentan una altura superior al cultivo testigo; sin embargo, en los cultivos contaminados por pilas D la altura de los tallos es similar al testigo. Las pilas que se utilizaron en este trabajo, a pesar de que son de desecho, son capaces de producir energía y de acuerdo con la posición en que fueron ubicadas es posible la formación de un campo eléctrico, sobre todo si se considera que se encuentran circundados por tierra húmeda (bajo riego constante) formando probablemente un sistema electroquímico complejo con presencia de campos eléctricos débiles. Kiatgamjorn y colaboradores demostraron que los cultivos de soya presentaban mayor desarrollo al estar 39

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sometidos durante Cinco días a campos eléctricos de diferente intensidad [Kiatgamjorn et al., 2004]. Por consiguiente, la diferencia entre los resultados se puede deber a que la composición y el voltaje entre las pilas D y T son distintos y por ende la magnitud e intensidad del campo eléctrico es diferente. Estadísticamente el IC de los cultivos contaminados es ligeramente mayor que los cultivos testigo (figura 12), por lo tanto es posible que el campo eléctrico formado por las pilas sea estimulante para el crecimiento de los cultivos. Testigo

11 10 9

Longitud (cm)

8 7

B1 B2 B3

6 5 4 3 2 1

0

0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

a)

Tiempo (días)

14

TE1

DE1

12

13

11

12

10

11

9 8

9 8

T1E1

7

T2E1

6

T3E1

5

4

Long it ud (cm)

Long itud (cm)

10

7

D1E1

6 D3E1

5 4 3

3

2

2

1

1

0

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Tiempo (días)

b)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Tiempo (días)

c)

Figura 11. Longitud del tallo en función del tiempo de: a) Cultivos testigo, b) Cultivos contaminados por pilas T y c) Cultivos contaminados por pilas D. Cada una con sus respectivas replicas.

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Figura 12. Comparación de IC: a) Testigo vs. TE1y b) testigo vs. DE1. La figura 13 muestra que el tallo de menor longitud pertenece al cultivo contaminado con pilas D a pesar de que su índice de crecimiento (IC) es más rápido, el tallo de mayor longitud pertenece al cultivo contaminado con pilas T y su IC es mayor al testigo. De acuerdo a los valores de IC, los cultivos no contaminados crecen más lentamente. Los valores estadísticos de P indican que si existe un efecto provocado por las pilas en el IC de los cultivos. a)

Grupo 1

T Testigo D P < 0.05

T

Testigo

D

Altura promedio del tallo (cm) 10.58 9.17 9.01

IC promedio (cm/día) 0.1723 0.1501 0.2075

Valor P

0.0000 0.0000

b)

Figura 13. a) Fotografía de la exposición 1 correspondiente al día 39 y b) tabla de resultados. Exposición 2 En este caso, el efecto de la contaminación por metales pesados debido a que la pila se encuentra abierta (sin carcasa) es probable, así como la solubilidad de los metales pesados en la tierra y su absorción por las plantas a través de sus raíces. Por otra parte, la naturaleza acida o alcalina de las pilas afecta el pH natural del suelo, implicando efectos importantes en el crecimiento y desarrollo de los cultivos de Frijol. Cabe señalar que algunos iones de metales pesados como el Fe, Cu, Mn y Zn no pueden ser absorbidos directamente por las plantas, la forma en que ingresan a estas es por medio de quelatos (sustancias que forman 41

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complejos con iones de metales pesados). La formación de quelatos usualmente se lleva a cabo en un pH entre 6 y 9; bajo estas condiciones la solubilidad de algunos iones metálicos aumenta o disminuye en función del pH final [Benavides, 2000]. En la figura 14 se encuentra la imagen correspondiente a este periodo y exposición, note que el tallo de mayor longitud pertenece al cultivo testigo, el tallo con altura intermedia pertenece al cultivo contaminado por pilas T y el tallo de menor longitud corresponde al cultivo contaminado por pilas D. El cultivo expuesto a pilas T tiene un alto IC, mientras que el IC más bajo es para los cultivos expuestos a pilas D. Los valores de P menores a 0.05 confirman que en todos los casos el IC fue afectado. a)

Grupo 1

T Testigo D Grupo 2 Testigo D P < 0.05

T

Testigo

Altura promedio del tallo (cm) 8.91 9.17 6.60 Altura promedio del tallo (cm) 6.28 4.17

IC promedio (cm/día) 0.1635 0.1501 0.0913 IC promedio (cm/día) 0.0589 0.0179

Valor P

0.0250 0.0000 Valor P

0.0000

b)

D

Figura 14. a) Fotografía de la exposición 2 correspondiente al día 39 y b) tabla de resultados. Como la pila está completa pero a carcasa abierta, es posible que la difusión de sus componentes activos sea moderada. En el caso de los cultivos expuestos a pilas T es probable que el pH del suelo sea ácido por lo cual la formación de quelatos es mínima y como consecuencia la solubilidad y transporte de los iones metálicos al interior de la planta es poca; sin embargo para los cultivos expuestos a pilas D es probable que el pH del suelo oscile entre 6 y 9 (note que la pila es alcalina y tiene componentes activos como Zn y Mn), bajo estas condiciones la formación de quelatos es ideal los cuales transportarán iones metálicos -en gran cantidad- al interior de la planta, afectando de manera importante el crecimiento de la misma. Exposición 3 En esta exposición las pilas se encuentran despedazadas y es muy probable que exista una mayor concentración disponible de metales pesados y efectos importantes en el pH del suelo. En la imagen de la figura 15 se observa como las pilas T causan problemas en el crecimiento del tallo de la planta de Frijol (cultivo de menor tamaño). El efecto en los cultivos contaminados por pilas ácidas es devastador debido muy probablemente a la absorción de metales pesados, a un pH ácido los metales no requieren de mecanismos complejos como la quelación y pueden ingresar a la planta como iones o formando sales. 42

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Debido a que la pila está completamente despedazada existe mayor disposición de estos iones metálicos provocando efectos más drásticos en la planta (poca biomasa, germinación anormal, e inhibición en su crecimiento por el uso de su energía en la adaptación a suelos contaminados). Existen otros factores que influyen en la absorción y acumulación de metales tóxicos como por ejemplo: la naturaleza del metal, microorganismos de suelo, la competencia de los metales en su absorción y la misma genética de la semilla; es posible que los metales pesados alteren los procesos metabólicos de la planta desencadenando la inhibición de crecimiento, envejecimiento y muerte de las hojas o la planta. Además, las pilas T son parte del mercado informal y podría contener metales como el Mercurio y Cadmio, de ser así el Mercurio posiblemente estaría causando problemas en la germinación de la planta. a)

Grupo 1 T Testigo D Grupo 2 Testigo D P < 0.05

T

Testigo

Altura promedio del tallo (cm) 5.18 9.17 13.25 Altura promedio del tallo (cm) 6.28 7.66

IC promedio (cm/día) 0.0868 0.1501 0.2382 IC promedio (cm/día) 0.0589 0.0757

Valor P 0.0010 0.0000 Valor P

0.0390

b)

D

Figura 15. a) Fotografía de la exposición 3 correspondiente al día 39 y b) tabla de resultados. Por otra parte, las pilas D generan un efecto opuesto en la planta, ya que sus tallos alcanzaron longitudes mayores a lo normal, considerando normal el crecimiento del cultivo testigo. Es posible que este hecho se deba al pH ligeramente alcalino del suelo, en este caso el Cinc es fácilmente absorbido por la planta y éste contribuye al desarrollo de la misma. En lo que respecta al IC, los valores de P menores a 0.05 confirman que este parámetro fue afectado en los cultivos contaminados.

CONCLUSIONES El frijol es una planta que pertenece al grupo de las angioespermas. Como toda planta requiere de nutrientes, dentro de los cuales se encuentran algunos metales pesados como, magnesio, manganeso, cinc, hierro, entre otros. En principio un suelo apropiado para el cultivo de frijol debe contener una concentración apropiada de estos metales. Algunas actividades humanas incrementan la concentración de estos metales, lo que implica una contaminación del suelo y de los cultivos.

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El frijol representa para México un alimento tradicional de producción y consumo, colocándolo como un alimento básico en la dieta de los mexicanos. Existen alrededor de 150 especies de esta leguminosa y en el país se producen 50. En la pasada década, el reporte del consumo promedio per cápita anual de frijol en México fue de 10.84 kilogramos por persona. México no es autosuficiente en el consumo de frijol siendo importador de este grano, donde las importaciones ascendieron a 269 mil toneladas en el 2012. La normatividad mexicana para la calidad del frijol para consumo se rige por la NMX-FF038-SCFI-2002, la cual no es obligatoria, estableciendo sólo características cualitativas como, olor, humedad y tiempo de cocción. Es decir, para considerar un frijol como de buena calidad no se llevan a cabo análisis químicos que verifiquen que está libre de contaminantes. Los desechos de pilas cercanas a suelos de cultivo representan un riesgo potencial de contaminación, los metales pesados contenidos en ellas pueden ser absorbidos por las plantas dependiendo de su disponibilidad en el suelo y de los mecanismos de selectividad. En este trabajo, se han presentado los resultados de un estudio estadístico y visual, los cuales muestran los efectos en los cultivos de frijol por contaminación de metales pesados provenientes de pilas domésticas desechadas. El hombre se encuentra al final de muchas cadenas alimenticias, por lo que termina expuesto a concentraciones elevadas de agentes potencialmente tóxicos debido al proceso de bioacumulación de las plantas. Todo lo anteriormente mencionado, sugiere que en México hace falta que se genere una normatividad cuantitativa sobre el contenido de metales pesados en productos agrícolas, con el fin de evitar efectos nocivos en la salud y economía de la sociedad mexicana.

AGRADECIMIENTOS Se agradece a la Facultad de Ingeniería Química de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla y al Grupo Alter-Energías por el financiamiento al presente proyecto.

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